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111 學年度台聯大微積分 A3/A4/A6 第 4 題

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111學年度 · 111台聯大微積分A3/A4/A6 · 第 4 題

題目

Problem

4. Evaluate the iterated integral ∫01∫x1sin⁡(y2) dydx\int_0^1 \int_x^1 \sin(y^2)\,\mathrm{d}y\mathrm{d}x.

解答

解法一:交換積分順序法

思路

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  1. 由於被積函數 sin⁡(y2)\sin(y^2) 對於 yy 無法求得初等反導函數,我們必須交換積分順序。
  2. 描繪積分區域: 0≤x≤10 \le x \le 1, x≤y≤1x \le y \le 1。
  3. 轉換為先對 xx 後對 yy 積分的 X-型/Y-型區域表示: 0≤y≤10 \le y \le 1, 0≤x≤y0 \le x \le y。
  4. 交換後,先對 xx 積分極為簡單,隨後使用代換積分法求解 yy 的單變數積分。

答題過程

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原積分區域為:

D={(x,y):0≤x≤1,x≤y≤1}D = \{ (x, y) : 0 \le x \le 1, x \le y \le 1 \}

其邊界為 y=xy=x、 y=1y=1 與 x=0x=0 的三角形區域。 我們將其改寫為以 yy 為外層積分限的區域表示:

D={(x,y):0≤y≤1,0≤x≤y}D = \{ (x, y) : 0 \le y \le 1, 0 \le x \le y \}

交換積分順序後:

I= ∫01∫0ysin⁡(y2) dxdy= ∫01sin⁡(y2)(∫0y1 dx)dy= ∫01ysin⁡(y2) dy\begin{align*} I =&\, \int_0^1 \int_0^y \sin(y^2)\,\mathrm{d}x\mathrm{d}y \\[4mm] =&\, \int_0^1 \sin(y^2) \left( \int_0^y 1\,\mathrm{d}x \right) \mathrm{d}y \\[4mm] =&\, \int_0^1 y \sin(y^2)\,\mathrm{d}y \end{align*}

使用代換積分法,令 u=y2  ⟹  du=2y dy  ⟹  y dy=12 duu = y^2 \implies \mathrm{d}u = 2y\,\mathrm{d}y \implies y\,\mathrm{d}y = \frac{1}{2}\,\mathrm{d}u。

  • 當 y=0  ⟹  u=0y = 0 \implies u = 0。
  • 當 y=1  ⟹  u=1y = 1 \implies u = 1。

代回積分中計算:

I=∫01sin⁡u(12 du)=12[−cos⁡u]01=12(1−cos⁡1)I = \int_0^1 \sin u \left( \frac{1}{2}\,\mathrm{d}u \right) = \frac{1}{2} \left[ -\cos u \right]_0^1 = \boxed{\frac{1}{2} (1 - \cos 1)}